室溫條件下抗拉強(qiáng)度大于1400 MPa、屈服強(qiáng)度大于1200 MPa的鋼被稱(chēng)為超高強(qiáng)度鋼，通常還要求具有良好的塑韌性、優(yōu)異的疲勞性能、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能。超高強(qiáng)度鋼是應(yīng)用范圍很廣的一類(lèi)重要鋼種，大量應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域，而且其使用范圍正在不斷地?cái)U(kuò)大到建筑、機(jī)械制造、車(chē)輛和其它軍用及民用裝備上。
超高強(qiáng)度鋼發(fā)展至今，合金化研究已達(dá)到很高水平，挖掘現(xiàn)有鋼種的潛力，充分發(fā)揮合金元素的作用，減少有害元素的含量，提高斷裂韌性，已成為冶金科技工作者追求的目標(biāo)。近十年來(lái)圍繞現(xiàn)有鋼種挖潛，在超純、超細(xì)化、高均質(zhì)、低偏析進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，突破四大關(guān)鍵技術(shù)：1、超純鐵工業(yè)化大生產(chǎn)冶金技術(shù)。2、VIM+VAR低偏析、高均質(zhì)化的熔煉技術(shù)。3、鋼錠均質(zhì)化技術(shù)、大鍛比鍛造技術(shù)。4、超細(xì)化控制鍛造技術(shù)和熱處理控制技術(shù)。這是超高強(qiáng)度鋼研發(fā)和產(chǎn)品工業(yè)化的基礎(chǔ)。
超高強(qiáng)度合金鋼按其物理冶金學(xué)特點(diǎn)大體可以分為：低溫回火馬氏體組織或下貝氏體組織強(qiáng)化的低合金超高強(qiáng)度鋼；高溫回火析出合金碳化物、二次硬化組織的超高強(qiáng)度鋼和從低碳馬氏體基體析出金屬間化合物進(jìn)行強(qiáng)化的馬氏體時(shí)效鋼，及正在探索和研究的復(fù)合強(qiáng)化型（沉淀強(qiáng)化、二次硬化和時(shí)效強(qiáng)化復(fù)合強(qiáng)化）的超高強(qiáng)度鋼。
1 低合金超高強(qiáng)度鋼
低合金超高強(qiáng)度鋼合金元素含量少（<5%），經(jīng)濟(jì)性好，強(qiáng)度高，屈強(qiáng)比低，但韌性相對(duì)較低。此類(lèi)鋼是通過(guò)淬火和低溫回火處理獲得較高的強(qiáng)度和韌性，鋼的強(qiáng)度主要取決于鋼中馬氏體的固溶碳濃度。含碳量增加，鋼的強(qiáng)度升高；而塑性和韌性相應(yīng)降低。因此，在保證足夠強(qiáng)度的原則下，盡可能降低鋼中含碳量，一般含碳量在0.30~0.45%。鋼中合金元素總量約在5%左右，Cr、Ni和Mn在鋼中的主要作用是提高鋼的淬透性，以保證較大的零件在適當(dāng)?shù)睦鋮s條件下獲得馬氏體組織，Mo，W和V的主要作用是提高鋼的抗回火能力和細(xì)化晶粒等。
AISI 4340是最早出現(xiàn)的低合金超高強(qiáng)度鋼，也是低合金超高強(qiáng)度鋼的典型代表。美國(guó)從20世紀(jì)40年代中期開(kāi)始研究4340鋼，通過(guò)降低回火溫度，使鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1600~1900MPa。1955年4340鋼開(kāi)始用于F-104飛機(jī)起落架。通過(guò)淬火和低溫回火處理，AISI 4130、4140、4330或4340鋼的抗拉強(qiáng)度均可超過(guò)1500MPa，而且缺口沖擊韌性較高。
為了抑制低合金超高強(qiáng)度鋼回火脆性，1952 年美國(guó)國(guó)際鎳公司開(kāi)發(fā)了300M鋼。該鋼通過(guò)添加了1~2％的硅來(lái)提高回火溫度（260~315℃），并可抑制馬氏體回火脆性。300M鋼在1966 年后作為美國(guó)的軍機(jī)和主要民航飛機(jī)的起落架材料而獲廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰(zhàn)斗機(jī)都采用了300M 鋼，此外波音747 等民用飛機(jī)的起落架及波音767 飛機(jī)機(jī)翼的襟滑軌、縫翼管道等也采用300M 鋼制造。
盡管以4340 和300M 鋼為代表的低合金超高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度，但它們的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力都比較差，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。美國(guó)于60 年代初開(kāi)始研制D6AC，由AISI 4340 鋼改進(jìn)而成，被廣泛用于制造戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。到了70 年代中期，D6AC 逐漸取代了其它合金結(jié)構(gòu)鋼，成為一種制造固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的專(zhuān)用鋼種。美國(guó)新型地空導(dǎo)彈“愛(ài)國(guó)者”，小型導(dǎo)彈“紅眼睛”，大中型導(dǎo)彈“民兵”、“潘興”、“北極星”、“大力神”等，美國(guó)航天飛機(jī)的φ3.7m助推器殼體也采用D6AC 鋼制造。D6AC 還曾用于制造F-111飛機(jī)的起落架和機(jī)翼軸等。
蘇聯(lián)開(kāi)始研制低合金超高強(qiáng)度鋼的時(shí)間大體上與美國(guó)同步，具有自己的鋼種體系，最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA（ЭИ643）鋼。30XГCH2A 是在30XГC 基礎(chǔ)上加入1.4~1.8%的鎳而得到的低合金超高強(qiáng)度鋼，由于鎳的加入提高了鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性，也提高了鋼的淬透性，由此改良和派生出了一系列鋼種。40XH2CMA 是在40XH2MA 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，40XH2CBA是用W代替40XH2CMA中Mo而成的。近十幾年來(lái)他們又研制了新型經(jīng)濟(jì)型的低合金超高強(qiáng)度鋼35XCH3M1A（BKC-8）和35XC2H3M1ФA（BKC- 9），其抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)到1800?2000MPa 和1950~2150MPa。
我國(guó)低合金超高強(qiáng)度鋼的研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，一是仿制國(guó)外已有的牌號(hào)，五六十年代主要以仿制前蘇聯(lián)的鋼種為主，如30CrMnSiNi2A（仿30XГCH2A鋼），70 年代開(kāi)始以仿制美國(guó)的鋼種為主，如40CrNi2MoA鋼（仿4340鋼）、40Si2Ni2CrMoVA鋼（仿300M鋼）、45CrNiMo1VA鋼（仿D6AC鋼）等。二是根據(jù)我國(guó)的資源情況（缺乏鈷、鎳等貴金屬）和工程的需要，自主開(kāi)發(fā)研制了具有我國(guó)特點(diǎn)的低合金超高強(qiáng)度鋼，如無(wú)鎳鉻的35Si2Mn2MoVA，不含鎳的406 （38SiMnCrNiMoV）、D406A （31Si2MnCrMoV）、 40CrMnSiMoVA （GC-4），含少量鎳的37Si2MnCrNiMoVA等。
1973年我國(guó)開(kāi)始仿制D6AC鋼，已成功用于HQ-7地空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、反坦克導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和高壓氣瓶。1980年我國(guó)開(kāi)始仿制300M鋼，從“六五”到“九五”期間，鋼鐵研究總院和撫順特殊鋼公司在鋼的純凈化方面做了大量的工作，并發(fā)展了超純冶金技術(shù)，將該鋼成功地用于J-8II、J-10等殲擊機(jī)起落架上，使我國(guó)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)與起落架同壽命。
406鋼是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行研制低合金超高強(qiáng)度鋼最成功的典范。它是為解決大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料而研制的超高強(qiáng)度鋼，1966年由冶金部和七機(jī)部聯(lián)合下達(dá)研制任務(wù)，1980年11月定型生產(chǎn)。采用406鋼制造的巨浪一號(hào)兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，使用強(qiáng)度>1715 MPa，KIC＞72 MPa·m1/2，相當(dāng)于美國(guó)“北極星A2”導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體所用的D6AC鋼。
為了提高大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，又在406鋼的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了D406A鋼，通過(guò)降低碳含量和采用VIM+VAR冶煉技術(shù)，提高了純凈度。D406A鋼的強(qiáng)度稍有下降，但提高了韌性（σb＞1620MPa，KIC＞87 MPa·m1/2）。1993年通過(guò)技術(shù)鑒定，已成功用于東風(fēng)和巨浪系列導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。
2 二次硬化超高強(qiáng)度鋼
二次硬化超高強(qiáng)度鋼特點(diǎn)是在 480~550℃范圍回火（或時(shí)效）后，析出合金碳化物產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)，強(qiáng)度和硬度明顯提高，具有硬化峰值，表現(xiàn)出二次硬化特征，同時(shí)韌性提高。
HY180鋼是1965 年由美國(guó)U.S.鋼公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的優(yōu)良高韌性超高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成分（重量百分比） 為：0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo，應(yīng)用于深海艦艇殼體，海底石油勘探裝置等，但它一直未能在航空航天結(jié)構(gòu)上獲得應(yīng)用，其原因在于該鋼的比強(qiáng)度和韌性雖能滿(mǎn)足對(duì)低溫高壓深水潛艇使用要求，但尚不能滿(mǎn)足航空航天器對(duì)超高強(qiáng)度鋼的高強(qiáng)韌性的要求。
隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度高（1586?1724MPa）、斷裂韌性好（125 MPa·m1/2）、可焊接性好的新型材料成為發(fā)展方向。為了達(dá)到航空構(gòu)件材料的損傷容限和耐久性，在對(duì)Fe10Ni 系合金鋼進(jìn)行的研究基礎(chǔ)上，對(duì)HY180 進(jìn)行了改進(jìn)，1978年開(kāi)發(fā)了AF1410超高強(qiáng)度合金鋼，該鋼經(jīng)830℃油淬+510℃時(shí)效后，σ0.2≥1517MPa，KIC≥154MPa·m1/2。因此該鋼以極高的強(qiáng)韌性、良好的加工性能和焊接性能成為受航空界歡迎的一種新型高強(qiáng)度鋼。
在保持AF 1410 超高強(qiáng)度合金鋼良好韌性的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高其強(qiáng)度及在海水環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能和降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，1992年Carpenter公司開(kāi)發(fā)出Aermet 100 超高強(qiáng)度合金鋼。該鋼與AF1410 鋼相比，強(qiáng)度有了進(jìn)一步提高（σb≥1930 MPa），但韌性稍有下降（KIC≥110MPa·m1/2）。Aermet 100是目前綜合性能最高的超高強(qiáng)度鋼，是新一代軍事裝備中關(guān)鍵器件的首選材料，美國(guó)己成功地將其應(yīng)用在最先進(jìn)的F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)起落架和F-18艦載機(jī)的起落架上。
我國(guó)目前已經(jīng)成功地研制出具有我國(guó)特色的二次硬化超高強(qiáng)度鋼。G99是由鋼鐵研究總院、長(zhǎng)城特殊鋼公司、航天部703所、東北大學(xué)共同承擔(dān)研制的，該鋼的σb >1520MPa，KIC>124 MPa·m1/2，與國(guó)外應(yīng)用最廣的AF1410相當(dāng)，成功用于神舟系列飛船的黑匣子殼體。鋼院牽頭組織攻關(guān)研制了16Co14Ni10Cr2Mo（F206）鋼，并成功用于某飛機(jī)平尾軸。我國(guó)從“九五”期間開(kāi)始研制Aermet 100鋼，超高純凈鋼材提純技術(shù)取得重大進(jìn)展，有害元素S、P、O、N、H控制在ppm量級(jí)，總和小于40ppm。撫順特殊鋼公司的試制產(chǎn)品達(dá)到了美國(guó)Aermet 100鋼實(shí)物水平，將用于我國(guó)四代機(jī)和艦載機(jī)的起落架。
3 馬氏體時(shí)效鋼
馬氏體時(shí)效鋼以無(wú)碳（或微碳）馬氏體為基體的，時(shí)效時(shí)能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強(qiáng)度鋼。具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的馬氏體時(shí)效鋼，是20世紀(jì)60年代初由國(guó)際鎳公司（INCO）首先開(kāi)發(fā)出來(lái)的。1961～1962年間該公司在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、鉬、鈦，通過(guò)時(shí)效硬化得到屈服強(qiáng)度分別達(dá)到1400、1700、1900MPa的18Ni（200）、 18Ni（250）和18Ni（300）鋼，并首先將18Ni（200）和18Ni（250）應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。
馬氏體時(shí)效鋼在相同的強(qiáng)度級(jí)別韌性比低合金鋼要高，加工硬化指數(shù)低，沒(méi)有脫碳問(wèn)題，熱處理工藝簡(jiǎn)單，冷加工成型性好。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用18Ni馬氏體時(shí)效鋼，使用強(qiáng)度為1750 MPa，濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體用馬氏體時(shí)效鋼，使用強(qiáng)度達(dá)到2450MPa。但合金元素含量高致使馬氏體時(shí)效鋼的成本增高。
我國(guó)從20世紀(jì)60年代中期就開(kāi)始研制馬氏體時(shí)效鋼，目前已形成1700~2500MPa不同級(jí)別十余個(gè)鋼種，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。最初以仿制18Ni（250）和18Ni（300）為主，到70年代中期又開(kāi)始研究強(qiáng)度級(jí)別更高的鋼種和無(wú)鈷或節(jié)鎳鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼。80年代開(kāi)發(fā)出用于濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體用的超高純、高強(qiáng)高韌的CM-1鋼，高彈性的TM210鋼。90年代以來(lái)研制了C300、C350馬氏體時(shí)效鋼。
18Ni馬氏體時(shí)效鋼含9%的貴重鈷元素，而我國(guó)鈷資源缺乏，80年代以來(lái)國(guó)際市場(chǎng)鈷價(jià)不斷上漲，因此國(guó)內(nèi)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體一般不選用這種材料。近十幾年來(lái)國(guó)外無(wú)鈷?cǎi)R氏體時(shí)效鋼的開(kāi)發(fā)取得了很大進(jìn)展。90年代，國(guó)內(nèi)在18Ni馬氏體時(shí)效鋼的基礎(chǔ)上，采用取消鈷元素，提高鎳、鈦含量的方法，成功研制出了T250、T300馬氏體時(shí)效鋼。T250馬氏體時(shí)效鋼力學(xué)性能為： σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2，是制造我國(guó)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的新一代材料。2006年，寶鋼特殊鋼分公司、撫鋼、安大廠(chǎng)和太鋼等單位聯(lián)合攻關(guān)，成功試制出直徑為1200mm的T250鋼固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，已用于某航天型號(hào)。
